田井呈, 趙朝會(huì)， 俞志君, 張學(xué)軍

(1．上海磁雷革傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司， 上海 201801； 2. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306； 3. 江蘇遠(yuǎn)東電機(jī)制造有限公司， 江蘇 泰州 225500)

75 kW鑄銅轉(zhuǎn)子超高效異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

田井呈1, 趙朝會(huì)2， 俞志君3, 張學(xué)軍3

(1．上海磁雷革傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司， 上海 201801； 2. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306； 3. 江蘇遠(yuǎn)東電機(jī)制造有限公司， 江蘇 泰州 225500)

超高效鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是當(dāng)下普遍關(guān)注的研究熱點(diǎn)?；陔妱?dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理及其計(jì)算方法，利用單、雙層混合式不等匝繞組理論，設(shè)計(jì)了一臺(tái)75 kW兩極鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明：電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到94.94%，且其他各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足IE3超高效異步電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對(duì)大功率鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的研究和設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

異步電動(dòng)機(jī)； 超高效； 鑄銅轉(zhuǎn)子

鋁的電導(dǎo)率約為銅電導(dǎo)率的60%，故對(duì)采用鑄銅轉(zhuǎn)子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鋁轉(zhuǎn)子以提升異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的設(shè)計(jì)方法的研究，一直以來(lái)都是高效異步電動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]中針對(duì)鑄銅轉(zhuǎn)子模具材料的使用特點(diǎn)和性能進(jìn)行了探討，并闡述了基于鎳基合金模具的鑄銅轉(zhuǎn)子澆注方案，對(duì)采用不同模具鑄造的銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的整體效率比傳統(tǒng)鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的效率高1.2%～1.6%，具有較好的節(jié)能效果，同時(shí)也證明了鎳基合金模具在鑄銅轉(zhuǎn)子技術(shù)上的可行性。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可知，若單純采用鑄銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子，盡管電動(dòng)機(jī)的效率得到了提升，但其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將會(huì)有所降低，啟動(dòng)能力將減弱。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]中對(duì)一臺(tái)礦用22 kW鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子槽型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終采用槽口窄而深的轉(zhuǎn)子槽型方案，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能均滿足GB/T 2722-2008 《YX3系列(IP55)高效率三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》[3]的各項(xiàng)要求。這表明采取合理的設(shè)計(jì)方式可解決鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)能力弱的問(wèn)題。

研究資料顯示[4-5]，通過(guò)對(duì)鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)、使用材料、加工工藝等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可進(jìn)一步提升電動(dòng)機(jī)的效率。此外，也可以采取另外一種設(shè)計(jì)思路，即對(duì)于同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在保持效率不變的情況下適當(dāng)減小電動(dòng)機(jī)的體積，提高其功率密度，節(jié)省制造成本。由于采用鑄銅轉(zhuǎn)子后電動(dòng)機(jī)的損耗減少，使得其溫升下降，故可對(duì)電動(dòng)機(jī)的散熱系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。如，對(duì)于大量使用的扇冷式異步電動(dòng)機(jī)，可減小其風(fēng)扇尺寸，以降低風(fēng)摩損耗和機(jī)械損耗，進(jìn)一步提升電動(dòng)機(jī)的效率[6]。

對(duì)于鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)使用中的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]中在進(jìn)行了詳細(xì)分析和計(jì)算后表明：一臺(tái) 5.5 kW、2極超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)的投資成本回收期僅為10個(gè)月，即購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)所增加的成本在不到一年的時(shí)間內(nèi)， 就可以通過(guò)電費(fèi)的節(jié)約收回，這表明鑄銅轉(zhuǎn)子超高效異步電動(dòng)機(jī)的制造和使用不會(huì)受到經(jīng)濟(jì)性方面的制約。

綜上所述，研究者們主要著眼于37 kW及以下小型異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研究。而對(duì)有關(guān)更高功率的中、大型鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的討論則較少。此外，對(duì)于在鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)上采用特殊定子繞組設(shè)計(jì)方案的研究也鮮見(jiàn)發(fā)表。

本文基于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理及其計(jì)算方法，利用單、雙層混合式不等匝繞組理論，對(duì)一臺(tái)原中心高為250 mm的55 kW異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改型，設(shè)計(jì)了一臺(tái)75 kW 2極鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足IE3超高效異步電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

1 75 kW鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 基本尺寸參數(shù)確定

電動(dòng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)公式為[8]

(1)

(2)

電動(dòng)機(jī)采用Y2系列中心高250 mm、55 kW、2極異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片，沖片形狀如圖1所示。定子槽型為梨形槽，轉(zhuǎn)子槽型為半凸形槽。

圖1 電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片形狀

由于是在原有機(jī)型上的改進(jìn)設(shè)計(jì)，且按照IE3標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行考核，故式(1)、(2)中的參數(shù)數(shù)值已基本確定，只需對(duì)電動(dòng)機(jī)的繞組、鐵芯有效長(zhǎng)度以及一些系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以取得所需的電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)。采取這樣的設(shè)計(jì)方式是為了盡可能減少電動(dòng)機(jī)的制造加工過(guò)程以及成本投入，有利于系列電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和市場(chǎng)推廣。此外，機(jī)械損耗按照55 kW額定輸出功率的1.4%選取，雜散損耗參照文獻(xiàn)[9]，取為75 kW額定輸出功率的1%。

1.2 繞組型式選取

異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組一般為雙層繞組，單層繞組主要運(yùn)用于小型異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。為產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相繞組對(duì)稱(chēng)地分布于定子圓周上，相與相之間相差120°機(jī)械角度。本例中，定子槽數(shù)Z=36槽，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p=2，則每極每相槽數(shù)為

(3)

本例中q=6，即每一極下，每一相繞組占6個(gè)槽。由對(duì)稱(chēng)繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)特性可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)僅與繞組中所流過(guò)電流的方向和大小有關(guān)，而與繞組端部的鏈接方式關(guān)系不大。其中，疊繞組由于下線工藝簡(jiǎn)單、電磁性能好，被廣泛運(yùn)用于異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。圖2所示為原電動(dòng)機(jī)的繞組設(shè)計(jì)方案，圖中給出了A相繞組的排列方式，箭頭所指為其中一極下A相繞組的局部放大視圖。每一個(gè)線圈的跨距相同，均為15個(gè)槽距，也稱(chēng)為等節(jié)距繞組或短距繞組。

圖2 雙層疊繞組方案

圖3中的繞組排列方式與原繞組方案相比，q不變，僅改變線圈端部的連接方式，每一極相組的6個(gè)線圈節(jié)距不同，為同心式線圈。與原方案相比，本例繞組方案端部的平均用銅量減少了，多用于電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降本設(shè)計(jì)。由于這種繞組中既有單層槽，也有雙層槽，故一般稱(chēng)為單、雙層混合式繞組。關(guān)于單雙層混合式繞組的排列形式及其計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[10]。對(duì)于本例電動(dòng)機(jī)，q=6，圖3中箭頭所指的繞組局部放大視圖中，A相一個(gè)磁極的6個(gè)槽，中間兩槽為單層槽，兩邊分別為4個(gè)雙層半槽，有效總槽數(shù)不變，仍為6槽，故稱(chēng)為4-2-4型單雙層混合繞組方案。

圖3 單雙層混合同心式繞組方案

1.3 單雙層混合繞組線圈不等匝設(shè)計(jì)

為改善磁場(chǎng)波形，獲得較好的正弦性，可對(duì)繞組各線圈的匝數(shù)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，即不等匝數(shù)設(shè)計(jì)。在滿足槽滿率基本相同的情況下，這樣的設(shè)計(jì)方式可減少繞組相帶諧波，提高繞組系數(shù)和電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)。本例選取1個(gè)單層槽和相鄰的4個(gè)雙層半槽的實(shí)際匝數(shù)比[11]為13∶9∶8∶6∶5，繞組系數(shù)為

(4)

(5)

式中，Ni為匝數(shù)分布，i=1,2,…,q；α1為槽距電角度；v為諧波次數(shù)。

本例中，N6=0，每一極相組各槽實(shí)際匝數(shù)分別為13、14、14、14、14、13，槽滿率分別為68.93、74.23、74.23、74.23、74.23、68.93，槽滿率基本相同，不影響槽利用率。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響

2.1 鐵芯長(zhǎng)度

通過(guò)上述電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)和電樞繞組排列形式的確定，整個(gè)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)已確定。由式(1)可知，要在原55 kW電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增大其輸出功率，提高其功率密度，則電動(dòng)機(jī)的電負(fù)荷和磁負(fù)荷都會(huì)增大，銅耗與鐵耗均會(huì)有不同程度的增加，從而使電動(dòng)機(jī)的效率下降。為解決這一問(wèn)題，可適當(dāng)增加定、轉(zhuǎn)子的鐵芯長(zhǎng)度，以調(diào)節(jié)電負(fù)荷和磁負(fù)荷的大小，控制電動(dòng)機(jī)的損耗。

如圖4所示，原電動(dòng)機(jī)鐵芯長(zhǎng)度為190 mm，隨著鐵芯長(zhǎng)度的增加，電動(dòng)機(jī)定子銅耗、鐵耗都呈下降趨勢(shì)，且隨鐵芯長(zhǎng)度的增加，定子銅耗的下降更明顯；而鐵耗的下降較為平緩，電動(dòng)機(jī)效率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)?？紤]到電動(dòng)機(jī)機(jī)座的設(shè)計(jì)要求，鐵芯不可能無(wú)限制地增加，且鐵芯增加到一定程度，鐵耗占比將增大，電動(dòng)機(jī)的效率將下降，故鐵芯長(zhǎng)度控制在240 mm左右，留5 mm的裕量。

圖4 鐵芯長(zhǎng)度對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響

2.2 端環(huán)軸向高度

轉(zhuǎn)子端環(huán)是連接轉(zhuǎn)子導(dǎo)體回路不可缺少的一部分，作為感應(yīng)電流的流通路徑，端環(huán)的設(shè)計(jì)直接影響轉(zhuǎn)子電阻的大小，關(guān)系到電動(dòng)機(jī)的效率和啟動(dòng)性能。由

(5)

可知，Rr的大小與端環(huán)中電流流過(guò)的截面積和流通路徑長(zhǎng)度有關(guān)。式中，Rr為端環(huán)電阻值；L為端環(huán)軸向等效長(zhǎng)度；S為端環(huán)截面積；Ha為端環(huán)軸向高度；Hr為端環(huán)徑向高度；ρ為轉(zhuǎn)子端環(huán)電阻率。

其中，L由整個(gè)轉(zhuǎn)子圓周長(zhǎng)決定，而S由轉(zhuǎn)子槽深和Ha的乘積決定。本例中，轉(zhuǎn)子槽面積和轉(zhuǎn)子圓周的尺寸均已確定，故端環(huán)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)Ha的合理控制。

如圖5所示，在電動(dòng)機(jī)的其他設(shè)計(jì)參數(shù)不作變動(dòng)的情況下，隨著Ha的增加，端環(huán)路徑中電流流過(guò)的截面積增加，電流密度減小，轉(zhuǎn)子電阻減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子銅耗減小，使電動(dòng)機(jī)效率增加，但其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩有所減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子的Ha增加到一定程度時(shí)，端環(huán)電流密度的減小趨于平緩，轉(zhuǎn)子銅耗的減小也趨于平緩；此時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小已不太明顯，效率增加的幅度也趨于平緩。同時(shí)，對(duì)于端環(huán)的設(shè)計(jì)，除了上述需考慮的因素外，還需考慮材料的利用率，盲目增加Ha的方法不可取，需將其控制在合理范圍內(nèi)。

圖5 端環(huán)軸向高度對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性對(duì)比

圖6所示為三相異步電動(dòng)機(jī)較近似的等效電路圖[13]。

圖6 三相異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖

由圖可得：

(6)

利用式(6)對(duì)電動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，可得到其機(jī)械性能指標(biāo)：?jiǎn)?dòng)電流倍數(shù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。鑄銅轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能數(shù)據(jù)如圖7所示。與鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)相比，由于銅的電導(dǎo)率較大，故鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子總電阻減小，啟動(dòng)性能較差，即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，啟動(dòng)電流較大，但其最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)略大，即過(guò)載能力略強(qiáng)。

圖7 機(jī)械性能對(duì)比

3.2 電動(dòng)機(jī)工作性能對(duì)比

上述分析與計(jì)算針對(duì)的是額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，但實(shí)際運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)并不一直保持額定運(yùn)行狀態(tài)，受負(fù)荷波動(dòng)影響，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在一定范圍的輕載和過(guò)載狀態(tài)。因此，有必要對(duì)電動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的效率進(jìn)行計(jì)算，以獲得較為合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。

如圖8所示為不同輸出功率下鑄銅轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的效率變化曲線。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的效率均比鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的效率高。此外，由圖可知，本例電動(dòng)機(jī)額定輸出功率為75 kW時(shí)，其效率并不是最高點(diǎn)，而是隨著輸出功率的增加，其效率還具有提升空間，還可進(jìn)一步增大電動(dòng)機(jī)的輸出功率等級(jí)。

3.3 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果分析

最終制造的樣機(jī)實(shí)物如圖9所示。電動(dòng)機(jī)中心高為250 mm，采用原55 kW電動(dòng)機(jī)機(jī)座，圖中左側(cè)所示為未裝配的鑄銅轉(zhuǎn)子，與鑄鋁轉(zhuǎn)子相比，省卻了端環(huán)上的風(fēng)葉，可進(jìn)一步降低電動(dòng)機(jī)的風(fēng)阻損耗。

圖8 效率—輸出功率性能對(duì)比

Fig.8 Efficiency—output power comparison

圖9 樣機(jī)與鑄銅轉(zhuǎn)子實(shí)物圖

該電動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表可知，除啟動(dòng)性能參數(shù)需吃標(biāo)準(zhǔn)容差之外，電動(dòng)機(jī)的效率、過(guò)載能力均超出標(biāo)準(zhǔn)保證值，功率因數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)保證值。

表1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4 鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

采用鑄銅轉(zhuǎn)子后，由于銅的價(jià)格高于鋁，且鑄銅工藝本身的復(fù)雜性，使得鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的價(jià)格普遍比傳統(tǒng)鑄鋁電動(dòng)機(jī)高，這是當(dāng)下制約鑄銅轉(zhuǎn)子超高效異步電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)推廣的主要原因。

經(jīng)綜合核算，本例電動(dòng)機(jī)的價(jià)格與Y2系列75 kW同等功率等級(jí)的鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)相比，高出約2 000元。若該電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間為4 000 h，電費(fèi)按0.50元/(kW·h)計(jì)，原電動(dòng)機(jī)的效率按Y2標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)，則投資成本回收期為

(7)

可得電動(dòng)機(jī)的投資成本回收期約為7個(gè)月，即購(gòu)買(mǎi)該電動(dòng)機(jī)7個(gè)月后，可將增加的成本收回，且隨著電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，回收期將越短。由此可知，本例電動(dòng)機(jī)不僅節(jié)能效果顯著，且經(jīng)濟(jì)性能良好，便于推廣。

4 結(jié) 論

本文基于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理及計(jì)算方法，利用單、雙層混合式不等匝繞組理論，對(duì)一臺(tái)原55 kW 2極鑄鋁轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)利用鑄銅轉(zhuǎn)子技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，得到如下3個(gè)重要結(jié)論：

(1)電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率達(dá)到75 kW，降低了一個(gè)機(jī)座號(hào)，提高了電動(dòng)機(jī)的功率密度；

(2)實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到94.94%，且其他各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足IE3超高效異步電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求；

(3)經(jīng)核算，電動(dòng)機(jī)的投資成本回收期僅為7個(gè)月，經(jīng)濟(jì)性能良好，便于市場(chǎng)推廣。

相關(guān)的計(jì)算和分析方法對(duì)于大功率鑄銅轉(zhuǎn)子超高效節(jié)能異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和推廣均具有重要的意義。

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Design and Analysis of 75 kW Super High Efficiency Induction Motor with Die-Cast Copper Rotor

TIANJingcheng1,ZHAOChaohui2,YUZhijun3,ZHANGXuejun3

(1．Magelec Propulsion Co.,Ltd., Shanghai 201801, China; 2. School of Electric Engineering,Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China; 3. Jiangsu Yuandong Motor Manufacturing Co., Ltd., Taizhou 225500 Jiangsu, China)

The design of super high efficiency asynchronous motor is attracting much attention. Based on the basic principle of motor design, a 75 kW three phase asynchronous motor with a two-pole die-cast copper rotor was designed use un-equal turns type winding. Test results show that the motor’s efficiency reached 94.94%, and all performance parameters satisfied the IE3 standard for super high efficiency asynchronous motors. This work can serve as a reference for the design and research of high power induction motors with a die-cast copper rotor.

asynchronous motor; super high efficiency; die-cast copper rotor

2017 -02 -25

上海市教育委員會(huì)科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目資助(13AZ01)

田井呈(1990-)，男，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及其多物理場(chǎng)仿真，E-mail: 526837119@qq.com

2095 - 0020(2017)02 -0114 - 06

TM 343.2

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